Partícula de Higgs

Achegándonos ao LHC

Por que as partículas teñen masa? Por que teñen as masas que teñen? Por que hai tales diferenzas de masas entre unhas e outras?

O Modelo Estándar describe todo o que nos sabemos sobre os máis pequenos compoñentes da materia e é a teoría máis exacta desenvolvida en calquera campo da Física. Sen embargo, sen a partícula Higgs non ten sentido. En efecto, as partículas deberían non ter masas, como ocorre cos fotóns, pero outras son moi masivas.

Máis abaixo introduciremos unha analoxía que nos pode axudar a entender como funciona o campo de Higgs.


En efecto, o modelo estándar ten un aspecto non trivial que é que certos bosóns intermediarios da interacción (W+, W -, Z0teñen masa, e os outros (fotón e gluóns) non teñen.

Isto explícase introducindo, "a man", un campo escalar, cun minimo de enerxía non correspondente ao campo nulo (como ocorre para o resto dos campos). Isto produce unha "rotura espontanea da simetría", que fai que estes bosóns e os fermións, acoplados ao campo escalar adquiran masa (alomenos a enerxías baixas). Polos estudos teóricos neste campo, o físico estadounidense de orixe xaponesa Yoichiro Nambu foi galardoado co Premio Nobel de Física de 2008, xunto aos xaponeses Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa.

Se isto é certo, o campo escalar podería efectuar "oscilacións" en torno ao valor minimo, que se manifestarian como a particula denominada Bosón de Higgs.

Nos anos 60 do século pasado, independentemente, Peter Higgs, Francois Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Dick Hagen e Tom Kibble, propuxeron que o universo estaba cheo dun campo máis tarde chamadoCampo de HIGGS. Outros físicos tamén contribuiron neste asunto, e iso vai dificultar enormemente a concesión dun posible Premio Nobel chegado o caso.

Como se ven de comentar, as interacción das partículas con este campo provoca que adquiran masaPodemos pois imaxinar o espazo cheo destas partículas virtuais ( bosones de Higgs) que ao interaccionaren coas demais partículas provocan nelas "dificultade" para moverse. É dicir, as partículas adquiren inercia e daquela masa. A máis interacción co campo Higgs máis masa. Por exemplo os fotóns non interaccionan con ese campo mentres que os quarks "top " fanno cunha enorme intensidade.

 

Seguindo unha analoxía do US-LHC Communications Group, podemos imaxinar aos electróns ou neutrinos correndo con "soltura" nunha rúa normal, os seus primos pesados, os muóns, con máis resistencia, como se tentase correr dentro dunha piscina con auga, e finalmente, as partículas máis pesadas, os quarks top, tratando de avanzar nunha piscina de melaza.

Máis adiante veremos outra analoxía para entender mellor como as partículas adquiren masa no campo de Higgs.

 


ATLAS e CMS son detectores de propósito xeral designados para "ver" un amplo rango de partículas e fenómenos poducidos nas colisións no LHC.

En 2012-13 un bosón de Higgs, cunha masa de 125 GeV, foi descuberto a partir da análise combinada de datos obtidos nestes dous detectores.

2000 físicos de 35 países participaron nesta análise, e agora seguen a traballar cos datos xa rexistrados, e seguirán cs novos, para afinar os resultados e se achegar a outras zonas da Física máis aló do Modelo Estándar

A dereita vese unha simulación na que unha partícula Higgs decae en catro muons.

 

Bosón de Higgs decaendo en 4 muóns en ATLAS.

O evento anterior un pouco máis en detalle:

Este evento é consistente con dúas partículas Z decaendo en dous muóns cada unha. Pero este evento pode producirse en procesos do Modelo Estándar que non implican a creación dun bosón de Higgs. Xa que logo, moitos eventos deben ser analizados para saber se se trata ou non dun sinal procedente da produción dunha partícula de Higgs.


A dereita podemos ver unha recreación da interacción de dous gluóns no instante da colisión de dous protóns do LHC, producíndose o bosón Higgs, un quark t e un antiquark t.

Estas tres partículas decaen nunha combinación doutros quarks e leptóns moi particular que é moi difícil que se dean desde outros procesos.

Recollendo suficientes evidencias de sinais como esta, as colaboracións ATLAS e CMS foron quen de descubrir un bosón de Higgs.

 

Medidas moi precisas coa interacción electrodébil apuntaba a existencia dun Higgs lixeiro. O experimento LEP2 descartou masas de Higgs por debaixo de 115 GeV /c2O rango para a masa do bosón de Higgs predito polo Modelo Estándar empregado polos experimentos do LHC estaba en   114-600 GeV/c2   .

O experimento do Tevatron excluiu a rexión de 158 a 174 GeV  /c2. Ademais, resultados de ATLAS e CMS, presentados na Biennial Lepton-Photon Conference en Mumbai (India) Agosto 2011, mostraban que a rexión de masas de 145 a 466 GeV /c2 están excluidas cun 95 por cento de certeza.

Polo tanto, a rexión preferente abranguía valores entre 115 e 158 GeV /c2. Como xa se mencionou máis arriba, as medidas electrodébiles indicaban unha rexión preferida entre 115 e 135 GeV /c2, sendo este o rango onde un bosón Higgs foi atopado (126 GeV /c2)


Realmente, a partícula Higgs non é directamente medida nos detectores porque decae deinmediato noutras partículas máis lixeiras. A seguinte imaxe mostra as diferentes probabilidades deses decaementos (“branching ratios”) en función da súa hipotética masa.

(Tomado de Flip Tanedo An Idiosyncratic Introduction to the Higgs)


 As colaboracións ATLAS e CMS observan unha partícula que podería ser o bosón de Higgs .

O 4 de xullo de 2012, os experimentos ATLAS e CMS presentaron os sus resultados preliminares na búsqueda do bosón de Higgs. Ambos os dous experimentos observaban unha nova partícula na rexión de masas de entre 125-126 GeV.

Había claros signos de que unha nova partícula foi observada cun nivel de confianza de 5-sigma e cunha masas de ~126,5 GeV. Eran resultados preliminares pero ese pico na gráfica non deixaba dúbida de que se estaba ante unha nova partícula que ademais tña que ser un bosón. Dado que a análise de datos fora dirixida tendo en conta a física do bosón de Higgs, isto era un indicio importante de que se estaba ante o achádego desa partícula.

 

Image taken from ATLAS Website

O seguinte paso era determinar a precisa natureza dese bosón para saber se se trata definitivamente do bosón de Higgs formulado polo modelo estándar da física de partículos, ou algo máis exótico

Como se indicou antes (ver gráfica anterior), o bosón de Higgs decae en partículas máis lixeiras: fotóns, ou mesóns B, ou leptóns Tau, ou bosóns W ou Z. Desviacións na frecuenca destes procesos poden indicar que estamos fóra do modelo estándar. Podería mesmo probarse que hai máis dun tipo de Higgs.

Como é sabido, soamente o 4% da materia considerada é explicada pola física actual, polo que atopar unha versión exótica do bosón de Higgs podería ser unha ponte cara a compresióndese universo que chamamos escuro.

(Tomado en parte de CERN PRESS RELEASE - JULY 4th 2012)

Este resultado fue posteriormente confirmado en 2013.

Máis sobre "significancia estatística"...


O bosón Higgs é alcumado (debido a Leon Ledermano, Nobel en Física) "a partícula divinaou  "a partícula de deusdada a súa importancia para o Modelo Estándar.

Lederman dixo que lle deu ese nome, "The God Particle", porque é crucial para comprender de verdade a estrutura do universo coñecido segundo o modelo estándar, pero tamén engadíu, e quizais aquí está a verdadeira razón dese alcume, que ao seu editor non lle gustou o primeiro nome proposto, "the Goddamn Particle", (a particula endemoniada) e propuxo cambiarlle o nome por "The God Particle".

En calquera caso, moitos científicos non gustan deste nome polas connotacións relixiosas que poden derivarse, e prefiren chamala "a partícula da botella de champagne". A razón sería pola celebración que o seu descubrimento tería, e tamén pola anécdota segundo a cal o físico David J. Miller gañou en 1993 a botella de champagne ofrecida polo ministro de Ciencia británico William Waldegrave a quen fose quen de lle explicar que era o bosón de Higgs.

 


 

A partícula de Higgs: unha analoxía para a clase de Física.

Tomado de The Higgs particle: a useful analogy for physics classrooms.

Comparando o índice de refraccion e a masa.

Cando a luz, composta por fotóns, pasa ao través dun material transparente como vidro, a súa velocidade cambia segundo o índice de refracción do material. Este cambio é debido aos campos eléctricos creados polo propio material, e pode mesmo dar lugar a un cambio na dirección en función do ángulo de incidencia. 

Cando os fotóns pasan ao través dun material como o aire, a interacción cos campos eléctricos  dos átomos presentes é pequena e por tanto o cambio de velocidade ou de dirección é tamén pequena. Porén, cando o material é a auga ou o vidro a interacción e maior e os fotóns  cambian sensiblemente de velocidade.  

A reducción na velocidade ven dada polo índice de refracción do  material  (i), de forma que a velocidade da luz nese medio ven dada por: 

v = c/i

sendo c a velocidade da luz no baleiro.

Un detalle moi importante é que o valor do índice da refracción varía lixeiramente coa lonxitude de onda, e por tanto a velocidade tamén (e daquela o momento do fotón). Por exemplo, no caso da luz no auga:

Azul

(486.1 nm)

Amarelo

(589.3 nm)

Vermello

(656.3 nm)

1.337

1.333

1.331

 

Polo tanto, os fotóns “amarelos” viaxan máis rápidos que os "azuis", e os "vermellos" son os máis veloces. Poderíamos dicir que os azuis teñen máis problemas para se mover na auga que os amarelos, e estes que os vermellos. Neste sentido é como se os fotóns azuis tivesen máis "inercia" (máis masa) que os amarelos, e estes máis que os vermellos. O índice de refracción é unha medida da interaccón entre os fotóns e o medio material, e polo tanto pode ser considerado como un "índice de masa", dado que canto maior é o seu valor menor é a velocidade dos fotóns.

Temos pois que no baleiro todos os fotóns se moven coa mesma velocidade, pero se  o universo aparecese de súpeto cheo de auga os fotóns terían diferente velocidade segundo a súa lonxitude de onda. Ou visto doutro xeito, os fotóns terían diferente "masa". Logo estaríamos pasando dunha situación simétrica (o baleiro) a outra non simétrica. Isto é o que en Fïsica de Partículas se coñece como rotura espontánea de simetría. 

Estamos agora en situación de levar adiante a analoxía. Inicialmente todas as partículas viaxan no universo coa máxima velocidade permitida. Por tanto non teñen "inercia", ou dito doutro xeito todas teñen masa cero, e desde ese punto de vista o universo presenta total simetría. Isto é precisamente o que establece o Modelo Estándar en principio, pero non é así como funciona o universo que conocemos. As partículas teñen masas moi diferentes.

O Modelo Estándar reformado suxire que en efecto as partículas posuían masa cero xusto despois do Big Bang, pero cando a temperatura descendeu por debaixo de certo valor, un campo "transparente" -o campo de Higgs- comezou a mostrar a súa influencia. Este campo é igual en todas partes, pero o valor da interacción entre as diferentes partículas con el é diferente segundo o tipo de partícula. A intensidade desta interacción é a que lle confire masa ás partículas. Quarks e electróns resultan ter masas moi diferentes. As outras interaccións -nuclear forte, feble, electromagnética- tamén contribúen as masas das partículas, en función das cargas que presenten.

Supoñamos quarks ou electróns (como parte doutras partículas, como protóns, núcleos, ou átomos), movéndose no campo de Higgs. A súas interaccións co campo xera diferentes  inercias segundo a composición, e daquela "orixina" diferentes masas.

O campo de Higgs actúa como un “material transparente” cun "índice de masa" específico para cada clase de partícula fundamental. Isto é o que explica que si queremos mover un electrón desde o repouso precisaremos unhas 200 veces menos forza que un muón, ou seguindo a linguaxe da física clásica diremos que un muón ten 200 veces máis masa que un electrón.

Polo tanto, este campo é o responsable das diferentes masas observadas para as partículas e constitúe o mecanismo de rotura de simetría que explica como funciona o noso universo.

A pesar das evidentes limitacións da analoxía, a idea esencial radica en establecer o paralelismo entre a rotura de simetría cando os fotóns viaxan nun medio transparente e a rotura de simetría cuando as partículas viaxan no campo de Higgs.

Desde o punto de vista cuántico, ese campo pode entenderse formado por unidades discretas que chamamos partículas de Higgs. Dado que no marco da teoría deben ter spin enteiro pertencerán á familia dos bosóns, e daquela tamén poder ser chamadas Bosóns de Higgs.

Como xa foi indicado máis arriba, as colaboracións ATLAS e CMS announciaron o seu descubrimento no CERN o 4 de xullo de 2012. O resultado foi posteriormente reconfirmado en 2013.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doutor en Física de Partículas (experimental) pola USC. Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembro de 2015. Actualmente está no Depto de Física de Partículas da USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Física e Química no IES de SAR de Santiago de Compostela, e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais da USC. É licenciado en Física e en Química, e é Doutor pola Universidade de Santiago (USC).

CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO | Modelo baseado no deseno da web do CERN

···